CN101154884A

CN101154884A - 电流模式脉宽调制升压电路及其反馈信号感测方法

Info

Publication number: CN101154884A
Application number: CNA2006101524688A
Authority: CN
Inventors: 余建朋; 王一诚; 颜业烜
Original assignee: Advanced Analog Technology Inc
Current assignee: Advanced Analog Technology Inc
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-04-02

Abstract

本发明的反馈信号感测方法包含以下步骤：(a)提供一具有一周期的脉宽调制信号；(b)在所述周期的脉冲持续时间内，通过一电流源对一电容充电，以形成一等效斜率补偿斜坡信号；(c)在所述周期的脉冲持续时间内，使一流经一升压电感的电感电流流经一等效电阻，以形成一等效电感电流信号；和(d)利用所述电容的耦合特性，并配合所述等效斜率补偿斜坡信号和所述等效电感电流信号以形成一反馈信号。

Description

电流模式脉宽调制升压电路及其反馈信号感测方法

技术领域

本发明涉及一种电流模式脉宽调制升压电路(current mode pulse width modulationboost circuit)及其反馈信号感测方法，明确地说涉及一种具有直接感测电感电流(inductorcurrent)和斜率补偿斜坡信号(slope compensation ramp signal)功能的电流模式脉宽调制升压电路及其反馈信号感测方法。

背景技术

图1是常规的一电流模式脉宽调制升压电路10，其包含一升压单元11、一分压电路19、一误差放大器12、一比较器13、一电感电流产生器(inductor current generator)14、一斜率补偿斜坡产生器(slope compensation ramp generator)15、一振荡器16、一脉宽产生器17和一缓冲器(buffer)18。一电压V_IN通过所述升压单元11进行升压以产生一较高的直流输出电压V_OUT。所述升压单元11包含一输入电容C1、一升压电感L、一MOS晶体管T、一整流二极管D和一输出电容C2。所述输入电容C1是用以滤掉所述电压V_IN的纹波电压(ripple voltage)。当所述MOS晶体管T处于导通状态，所述整流二极管D为逆向偏压，此时电流将顺向流经所述升压电感L，而使所述升压电感L的电压上升；然而电流并非瞬间流经所述升压电感L，而是呈线性增加，因此会建立一电磁场。此时，当所述MOS晶体管T处于导通状态时，输出的电流完全由所述输出电容C2提供。当所述MOS晶体管T处于截止状态时，所述升压电感L已无法再存储能量，因此所述升压电感L中所存储的所述电磁场将被释放出来；此时，所述升压电感L上的电压极性将被反转，使得所述升压电感L释放其所存储的能量到所述输出电容C2，同时使得所述整流二极管D连接所述升压电感L的一端(即节点N3)得到比所述电压V_IN还高的电压，这股能量提供一负载电流，并且同时再为所述输出电容C2充电。所述分压电路19是由两个串联电阻R1和R2所构成。一分压电压V_F1则由一连接所述电阻R1和R2的节点N2取出，送到所述误差放大器12和一参考电压V_REF进行比较，以产生一误差信号EO。随后，所述误差信号EO将通过所述比较器13与一反馈信号V_SUM进行比较。所述比较器13的输出(即V_F2)则和一来自所述振荡器16的振荡信号S1一同输入到所述脉宽产生器17。所述脉宽产生器17所产生的一驱动信号S_DR再经所述缓冲器18产生的一闸极控制信号S_G以调整所述MOS晶体管T导通的时间(即，调整所述驱动信号S_DR的脉冲持续时间(pulse duration))，进而控制所述直流输出电压V_OUT。

所述电感电流产生器14接收来一自所述节点N3的电压信号V_SEN，经其内部的一电压转换电流的机制(例如经一电阻或一转导放大器(transconductance amplifier))作用后而生成一流经所述升压电感L的电感电流I_SEN。图2(a)到2(c)例示常规技术中所述电压信号VSEN的不同撷取点N31、N32和N33。图2(a)的所述电压信号V_SEN撷取方式虽然比其它两者准确，然而却较耗电。图2(b)和2(c)的所述电压信号V_SEN撷取方式与图2(a)相比具有无损耗(lossless)的优点，然而却分别具有低准确度和匹配的问题。且所述电压信号V_SEN经所述电感电流产生器14的作用后，所述电感电流I_SEN将很容易造成失真(distortion)。另外，所述斜率补偿斜坡产生器15的目的是为解决在电流模式转换器(current mode converters)中，当其在连续导通模式(continuous conduction)下操作且所述驱动信号S_DR的工作周期大于50％时，产生的开回路不穏定(open-loop instability)、次谐波振荡(sub-harmonicoscillation)和对噪声过于灵敏(noise sensitivity)等问题。所述斜率补偿斜坡产生器15接收一来自所述振荡器16的振荡信号S2，再经其内部的一电压转换电流的机制(例如一转导放大器)作用后而生成一斜率补偿斜坡信号I_SLO。同样地，所述斜率补偿斜坡信号l_SLO经所述斜率补偿斜坡产生器15的作用后，很容易造成失真。最后，所述电感电流I_SEN和所述斜率补偿斜坡信号I_SLO流经一电阻R_f，在一节点N1处产生所述反馈信号V_SUM。

发明内容

本发明一方面提供一种电流模式脉宽调制升压电路，通过一包含一电流源和一电容的反馈信号产生单元，直接测量所述电流模式脉宽调制升压电路内部的电感电流和一等效斜率补偿斜坡信号(equivalent slope compensation ramp signal)，以形成一反馈信号并调整一直流输出电压，而减少常规技术中测量电感电流和产生斜率补偿斜坡信号时所造成的信号失真。

本发明的另一方面提供一种应用于一电流模式脉宽调制升压电路中的反馈信号感测方法，通过直接测量所述升压电路中流经升压电感的电感电流和通过一电流源对一电容充电所具有的一斜率特性所形成的一等效斜率补偿斜坡信号，以产生一反馈信号并调整一直流输出电压。

本发明揭示一种电流模式脉宽调制升压电路，其包含一升压单元、一分压电路、一误差放大器、一比较器、一脉宽产生器和一反馈信号产生单元。所述升压单元包含一升压电感和一开关，所述升压单元将一电压进行升压以产生一直流输出电压。所述分压电路利用所述直流输出电压产生一分压电压。所述误差放大器比较一参考电压与所述分压电压以产生一误差信号。所述比较器比较所述误差信号与一反馈信号以产生一第一信号。所述脉宽产生器接收所述第一信号和一来自一振荡器的第二信号以产生一第三信号，其中所述第三信号用以控制所述开关。所述反馈信号产生单元与所述升压单元耦合以产生所述反馈信号，其中所述反馈信号包含一流经所述升压电感的等效电感电流信号和一等效斜率补偿斜坡信号。

本发明另外揭示一种应用于一电流模式脉宽调制升压电路的反馈信号感测方法，其包含以下步骤：(a)提供一具有一周期(period)的脉宽调制信号；(b)在所述周期的一脉冲持续时间(pulse duration)内，通过一电流源对一电容充电，以形成一等效斜率补偿斜坡信号；(c)在所述脉冲持续时间内，使一流经一升压电感的电感电流流经一等效电阻，以形成一等效电感电流信号；和(d)利用所述电容的耦合特性，并配合所述等效斜率补偿斜坡信号和所述等效电感电流信号以形成一反馈信号。本发明一实施例中，所述反馈信号取自所述电流源与所述电容的接点。

本发明的电流模式脉宽调制升压电路因为直接测量电感电流并利用所述反馈信号产生单元直接产生所述等效斜率补偿斜坡信号，且没有涉及电压转换电流机制(voltage-to-current transfer structure)的使用，因此与常规技术相比，本发明具有以下优点：(1)减少反馈信号的失真；(2)因为直接测量和产生信号，所以具有优选的反应速率；(3)可免除常规技术中开回路穏定性的问题。

附图说明

图1常规的一电流模式脉宽调制升压电路；

图2(a)～2(c)例示常规技术电压信号的不同撷取点；且

图3本发明一实施例的电流模式脉宽调制升压电路。

具体实施方式

图3是本发明一实施例的电流模式脉宽调制升压电路20，其包含一升压单元21、一分压电路29、一误差放大器22、一比较器23、一脉宽产生器27、一缓冲器28和一反馈信号产生单元24。所述升压单元21包含一升压电感L′、一MOS晶体管T′、一与所述升压电感L′与所述MOS晶体管T′的接点P1连接的整流二极管D′、一用以滤掉所述电压V_IN的纹波电压的输入电容C3和一连接在所述整流二极管D′与一接地端之间的输出电容C5，其中所述输出电容C5用以产生一直流输出电压V_OUT。所述分压电路29利用所述直流输出电压V_OUT产生一分压电压V_F3。所述分压电路29包含一与所述整流二极管D′连接的第一电阻R3和一连接在所述第一电阻R3与所述接地端之间的第二电阻R4，其中所述分压电压V_F3取自一连接所述第一电阻R3与所述第二电阻R4的节点P3。所述误差放大器22比较一参考电压V_REF与所述分压电压V_F3以产生一误差信号E′O。所述比较器23比较所述误差信号E′O与一反馈信号V′_SUM以产生一信号V_F4。所述脉宽产生器27接收所述信号V_F4和一来自一振荡器26的信号S_OSC以产生一信号S′_DR，其中所述信号S′_DR用以控制所述MOS晶体管T′。所述缓冲器28′为任选的，其提升所述信号S′_DR的驱动能力，以形成一闸极控制信号S′_G以控制所述MOS晶体管T′。所述反馈信号产生单元24与所述升压单元21耦合以产生所述反馈信号V′_SUM，其中所述反馈信号V′_SUM包含一流经所述升压电感L′的等效电感电流信号(未图示)和一等效斜率补偿斜坡信号(未图示)。所述反馈信号产生单元24包含一电容C4和一与所述电容C4串联的电流源I_s。所述电容C4的一端与所述升压电感L′与所述MOS晶体管T′的接点P1耦合。所述电流源Is与所述电容C4的另一端点耦合。

图3的所述实施例的电流模式脉宽调制升压电路20与图1的所述电流模式脉宽调制升压电路10的反馈信号V′_SUM的产生方法不同，以下将详细说明本发明所述反馈信号V′_SUM的感测方法。

当所述MOS晶体管T′导通时，由所述电压V_IN产生且流经所述升压电感L′的电感电流IL′将通过所述导通的MOS晶体管T′流到接地端。所述电感电流IL′于节点P1所形成的一电位V′_SEN可由以下式(1)得出，

V′_SEN＝V_IN×DTs×Rds/L (1)

其中DTs表示所述第四信号S′_DR的脉冲持续时间(即，所述MOS晶体管T′导通的时间)，Rds表示所述MOS晶体管T′导通时的电阻且L表示所述升压电感L′的电感值。因为所述电位V′_SEN蕴含所述电感电流IL′的消息，因此也称为等效电感电流信号，其与所述电压V_IN、所述升压电感L′、所述MOS晶体管T′导通时的电阻值Rds和所述脉宽产生器的一工作周期(duty cycle)相关。此外，所述电流源I_s在所述MOS晶体管T′导通时对所述电容C4充电，因此将在节点P1和P2之间建立一电位差V_SLO，其可由以下式(2)得出，

V_SLO＝I_s×DTs/C (2)

其中DTs表示所述第四信号S′_DR的脉冲持续时间(即，所述MOS晶体管T′导通的时间)，C表示所述电容C4的电容值。因为所述电位差V_SLO蕴含所述斜率补偿斜坡信号相关的消息(即，对所述电容C4充电时其所展现的斜率特性类似于所述振荡器26所产生的第三信号S_OSC)，因此也称为等效斜率补偿斜坡信号，其与所述电流源I_s、所述电容C4和所述脉宽产生器27的所述工作周期相关。因此利用所述电容C4的耦合特性，由节点P2取出的反馈信号V′_SUM即为所述等效电感电流信号与等效斜率补偿斜坡信号之和。也就是说，

V′_SUM＝V′_SEN+V_SLO＝V_IN×DTs×Rds/L+I_s×DTs/C

＝(V_tN×Rds/L+I_s/C)×DTs (3)

其中式(3)中的(V_IN×Rds/L+I_s/C)具有固定斜率的特性。

由以上的说明可知，本发明的电流模式脉宽调制升压电路及其反馈信号感测方法因为通过一包含一电流源和一电容的反馈信号产生单元，直接测量所述电流模式脉宽调制升压电路内部的电感电流并直接转换成一等效电感电流信号；同时，利用所述电流源对所述电容充电而直接产生一具有斜率特性的等效斜率补偿斜坡信号，而直接在所述电流源和所述电容的连接点形成一反馈信号。因此本发明与常规技术相比具有(1)减少反馈信号的失真；(2)具有优选的反应速率；和(3)避免开回路穏定性问题的优点。

本发明的技术内容和技术特点已揭示如上，然而所属领域的技术人员仍可能基于本发明的教示和揭示而作出各种不脱离本发明精神的替代和修改。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不脱离本发明的替代和修改，并由所附权利要求书涵盖。

Claims

1.一种反馈信号感测方法，其应用于一电流模式脉宽调制升压电路，其特征在于包含以下步骤：

(a)提供一具有一周期的脉宽调制信号；

(b)在所述周期的一脉冲持续时间内，通过一电流源对一电容充电，以形成一等效斜率补偿斜坡信号；

(c)在所述脉冲持续时间内，使一流经一升压电感的电感电流流经一等效电阻，以形成一等效电感电流信号；和

(d)利用所述电容的耦合特性，并配合所述等效斜率补偿斜坡信号和所述等效电感电流信号以形成一反馈信号。

2.根据权利要求1所述的反馈信号感测方法，其特征在于所述脉宽调制信号在所述脉冲持续时间内用以导通一位于所述电流模式脉宽调制升压电路内部的开关。

3.根据权利要求2所述的反馈信号感测方法，其特征在于所述开关是一MOS晶体管。

4.根据权利要求1所述的反馈信号感测方法，其特征在于所述等效斜率补偿斜坡信号是一电压信号且由下式定义：

I_s×DT_s/C

其中I_s表示所述电流源的电流，DT_s表示所述脉冲持续时间，C表示所述电容的电容值。

5.根据权利要求1所述的反馈信号感测方法，其特征在于所述等效斜率补偿斜坡信号是一跨于所述电容两端的电位差。

6.根据权利要求1所述的反馈信号感测方法，其特征在于所述等效电阻是一处于导通状态的MOS晶体管。

7.根据权利要求1所述的反馈信号感测方法，其特征在于所述等效电感电流信号是一电压信号且由下式定义：

V_IN×DT_s×Rds/L

其中V_IN是一产生所述电感电流的电压源的电压，DT_s表示所述脉冲持续时间，Rds表示所述等效电阻，L表示所述升压电感的电感值。

8.根据权利要求1所述的反馈信号感测方法，其特征在于所述反馈信号是所述等效斜率补偿斜坡信号和所述等效电感电流信号之和。

9.根据权利要求1所述的反馈信号感测方法，其特征在于所述反馈信号取自所述电流源与所述电容的接点。

10.一种电流模式脉宽调制升压电路，其特征在于包含：

一升压单元，包含一升压电感和一开关，所述升压电路将一电压进行升压以产生一直流输出电压；

一分压电路，其利用所述直流输出电压产生一分压电压；

一误差放大器，其比较一参考电压与所述分压电压以产生一误差信号；

一比较器，其比较所述误差信号与一反馈信号以产生一第一信号；

一脉宽产生器，其接收所述第一信号和一来自一振荡器的第二信号以产生一第三信号，其中所述第三信号用以控制所述开关；和

一反馈信号产生单元，其与所述升压单元耦合以产生所述反馈信号，其中所述反馈信号包含一流经所述升压电感的等效电感电流信号和一等效斜率补偿斜坡信号。

11.根据权利要求10所述的电流模式脉宽调制升压电路，其特征在于所述升压单元进一步包含：

一整流二极管，其与所述升压电感与所述开关的接点连接；和

一输出电容，其连接在所述二极管与一接地端之间以产生所述直流输出电压。

12.根据权利要求11的所述电流模式脉宽调制升压电路，其特征在于所述分压电路包含：

一第一电阻，其与所述整流二极管连接；和

一第二电阻，其连接在所述第一电阻与所述接地端之间，其中所述分压电压取自所述第一电阻与所述第二电阻的接点。

13.根据权利要求10所述的电流模式脉宽调制升压电路，其特征在于进一步包含一缓冲器，所述缓冲器与所述脉宽产生器的输出端连接，用于提升所述第三信号的驱动能力以控制所述开关。

14.根据权利要求10所述的电流模式脉宽调制升压电路，其特征在于所述反馈信号产生单元包含：

一电容，其一端与所述升压电感与所述开关的接点耦合；和

一电流源，其与所述电容的另一端点耦合。

15.根据权利要求14所述的电流模式脉宽调制升压电路，其特征在于所述等效斜率补偿斜坡信号由所述电流源在所述开关导通时对所述电容充电所产生。

16.根据权利要求14所述的电流模式脉宽调制升压电路，其特征在于所述等效斜率补偿斜坡信号与所述电流源、所述电容和所述脉宽产生器的一工作周期相关。

17.根据权利要求10所述的电流模式脉宽调制升压电路，其特征在于所述等效电感电流信号是一电压信号且与所述开关导通时的电阻值相关。

18.根据权利要求10所述的电流模式脉宽调制升压电路，其特征在于所述等效电感电流信号是一电压信号，其与所述电压、所述升压电感、所述开关导通时的电阻值和所述脉宽产生器的工作周期相关。